电热化学炮用脉冲电源及等离子体发生器电特性的研究

论文摘要

本文描述了用于电热化学发射试验研究的脉冲电源系统的组成、特性和运行结果，对应用于脉冲电源系统的大功率电感、快速硅堆进行了分析，完成了紧凑化脉冲电源的设计，对脉冲电源的负载——等离子体发生器的电特性进行了理论和实验分析。主要完成的工作有： 1)对毫秒级脉冲电源系统的组成及其重要部件进行了介绍，分析了其在电热化学发射实验中表现出来的特性，对脉冲电源的能量传输及效率问题进行了分析，明确了负载阻抗、负载功率和负载效率之间的关系和区别，得出了综合考虑下的最佳负载条件。 2)应用有限元方法，对具有螺旋结构的电感器进行了磁场计算和分析，使用磁感应强度和磁场能量密度的分布的对比来考察有无铁磁屏蔽外壳对电感器磁场的影响，并对电感器在脉冲放电试验中的电流电压特性进行了分析； 3)建立二极管反向恢复和正向导通模型，并进行了数值模拟；对硅堆失效问题进行了分析，指出在目前脉冲电源系统条件下，造成硅堆击穿故障的主要原因是硅堆支路电感造成的过电压以及不恰当的模块触发时序，设计了硅堆的保护电路，并进行了安装使用前的试验； 4)设计了多模块时序触发脉冲电源，进行了相应的数值模拟，并对紧凑式脉冲电源的设计和实现手段进行了分析，完成了脉冲电源时序控制器的设计和样机研制； 5)对脉冲电源的负载——等离子体发生器的电特性进行了研究，建立了等离子体发生器电感和电弧电阻的非线性计算模型，分析了其特性和对放电过程的影响，并对等离子体发生器的发射试验的结果进行了总结，通过试验数据的对比，分析了等离子体发生器在不同工作条件下的电特性及工作效能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 概述
• 1.1 论文的背景及意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 电磁发射脉冲电源系统研究
• 1.2.2 大功率器件的研究
• 1.2.3 脉冲成形网络及其高效和紧凑化技术
• 1.2.4 等离子体负载的电特性
• 1.3 本文所做的工作
• 2 毫秒级脉冲电源
• 2.1 脉冲电源系统组成
• 2.1.1 程序控制的模块化结构
• 2.1.2 脉冲电源模块的组成
• 2.1.3 触发真空开关
• 2.1.4 测控系统
• 2.2 毫秒级脉冲电源的特性研究
• 2.2.1 基本电路模型
• 2.2.2 单模块模型
• 2.2.3 时序放电多模块理想模型
• 2.2.4 时序放电多模块简化模型
• 2.3 毫秒级脉冲电源系统的运行
• 2.3.1 单模块基本实验
• 2.3.2 等离子体发生器在空气中的放电实验
• 2.3.3 等离子体发生器的密闭爆发器实验
• 2.3.4 电热化学发射实验
• 2.4 脉冲电源的能量传输及效率问题
• 2.4.1 脉冲成形网络的内阻抗
• 2.4.2 最大功率传输条件
• 2.4.3 初始能量释放
• 2.4.4 能量和负载电效率
• 2.4.5 最佳负载条件
• 2.5 本章小结
• 3 平面螺旋结构电感器的计算
• 3.1 电磁场基础理论
• 3.1.1 麦克斯韦方程
• 3.1.2 一般形式的电磁场微分方程
• 3.1.3 电磁场中常见边界条件
• 3.2 电磁场的求解方法
• 3.3 螺旋电感电磁场分析
• 3.3.1 螺旋电感器的结构
• 3.3.2 静磁场分析方程
• 3.3.3 具有铁磁屏蔽外壳的电感器磁场计算
• 3.3.4 无铁磁屏蔽外壳的电感器磁场计算
• 3.3.5 有无铁磁屏蔽的比较
• 3.3.6 电感器电极的影响
• 3.4 螺旋电感器在脉冲电源系统中的应用
• 3.4.1 电感量的计算
• 3.4.2 电感量的实验测定
• 3.5 本章小结
• 4 高压快速硅堆在脉冲电源中的应用研究
• 4.1 高压快速硅堆在脉冲电源系统中的作用
• 4.2 硅堆在模块中的安装位置
• 4.3 硅堆的瞬态特性
• 4.3.1 二极管反向恢复特性
• 4.3.2 二极管正向导通特性
• 4.4 硅堆在PFN电路中的动态特性
• 4.4.1 PFN放电时序的影响
• 4.4.2 二极管支路电感的影响
• 4.5 硅堆的安全使用和保护
• 4.5.1 硅堆失效分析
• 4.5.2 硅堆组成单元的选择
• 4.5.3 强迫均压
• 4.6 硅堆试验
• 4.6.1 直流电压稳定性试验
• 4.6.2 直流冲击性试验
• 4.7 硅堆在脉冲电源应用中的实验研究
• 4.8 本章小结
• 5 紧凑式脉冲电源设计
• 5.1 脉冲电源模块的总体要求
• 5.2 PFN基本参数的确定
• 5.2.1 基本公式
• 5.2.2 PFN模块的主要组成
• 5.2.3 电容器
• 5.2.4 开关系统
• 5.3 多模块时序放电脉冲电源的数值模拟
• 5.4 高压恒流充电机
• 5.4.1 高压恒流充电的结构
• 5.4.2 初级整流滤波系统
• 5.4.3 高频谐振逆变系统
• 5.4.4 主控系统
• 5.4.5 直流高压发生器
• 5.5 脉冲电源的结构与控制系统
• 5.5.1 脉冲电源的结构
• 5.5.2 程序触发控制器的设计
• 5.6 脉冲电源的小型化
• 5.6.1 紧凑化的脉冲电源回顾
• 5.6.2 可能采用的小型化方法
• 5.7 对电磁屏蔽的讨论
• 5.7.1 电磁屏蔽的分类
• 5.7.2 屏蔽材料的效能
• 5.7.3 电磁屏蔽的方法
• 5.8 本章小结
• 6 等离子体发生器的电特性分析
• 6.1 电热化学发射负载的特点
• 6.2 等离子体发生器的电感
• 6.2.1 电感计算方法
• 6.2.2 等离子体发生器电感的计算
• 6.2.3 等离子体发生器的电感计算结果
• 6.3 时序放电叠加的影响
• 6.4 等离子体发生器负载的电阻模型
• 6.4.1 等离子体发生器的电阻
• 6.4.2 等离子体发生器的非线性电阻分析
• 6.4.3 等离子体发生器的伏安特性
• 6.4.4 等离子体发生器的电功率、电能量输出
• 6.5 等离子体发生器放电效能分析
• 6.6 本章小结
• 结束语
• 工作总结
• 下一步的研究目标
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的主要成果